UPS設(shè)備的轉(zhuǎn)換開關(guān)
UPS設(shè)備的轉(zhuǎn)換開關(guān)
作為一種電源設(shè)備,UPS設(shè)備被廣泛的用在數(shù)據(jù)中心、金融保險、通訊廣播、民航高鐵、冶金化工等領(lǐng)域中,為計算機服務(wù)器等設(shè)備提供“不間斷”的電源保障。
轉(zhuǎn)換開關(guān)(TSE)作為一種低壓開關(guān)設(shè)備,其產(chǎn)品標準《GB14048.11》早在2003年就執(zhí)行并要求3C認證。遺憾的是目前所有按轉(zhuǎn)換開關(guān)標準生產(chǎn)并取得3C認證的產(chǎn)品,都不能滿足UPS設(shè)備的使用要求,即轉(zhuǎn)換動作時間>20ms。所以現(xiàn)階段UPS設(shè)備制造商都是選擇零件組裝轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)雙電源轉(zhuǎn)換功能,嚴格意義上來說,這不是成熟規(guī)范的產(chǎn)品。
1 轉(zhuǎn)換開關(guān)是UPS設(shè)備重要組成部分
目前的UPS設(shè)備主要分為后備式(圖1)和在線式(圖2),這兩種UPS設(shè)備中都含有轉(zhuǎn)換開關(guān)。在后備式UPS設(shè)備中,轉(zhuǎn)換開關(guān)用于穩(wěn)壓后的交流電源與后備電池逆變輸出間的轉(zhuǎn)換(市電正常時,逆變器處于后備狀態(tài),不工作),其轉(zhuǎn)換動作時間就是后備式UPS輸出中斷時間。
在線式UPS設(shè)備中,轉(zhuǎn)換開關(guān)用于逆變輸出與靜態(tài)旁路間的轉(zhuǎn)換,盡管在沒有輸入電源時,逆變器可以在無中斷的情況下輸出電池組的電能,使得這種UPS設(shè)備看似“不間斷”供電,但在跳轉(zhuǎn)維護旁路供電時,輸出電壓依然會有中斷,其中斷的時間就是轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換動作時間,在線式UPS用的轉(zhuǎn)換開關(guān)一般為電子式的。
由此看出,UPS設(shè)備轉(zhuǎn)換開關(guān)的動作快慢,決定了UPS設(shè)備供電是否是“不間斷”。
2 UPS設(shè)備的轉(zhuǎn)換開關(guān)
(1)相關(guān)定義
①UPS開關(guān)(一般為空氣開關(guān))用于將UPS或旁路連接到負載或與負載隔離的開關(guān)。根據(jù)負載對連續(xù)供電性能的要求,可以是機械式或電子式(包括熄滅型、電網(wǎng)換相型、自換相型)開關(guān);
?、谵D(zhuǎn)換開關(guān)用于實現(xiàn)從一個電源到另一個電源間的轉(zhuǎn)換,由一個或多個開關(guān)組成;
?、坜D(zhuǎn)換動作時間測定從主電源被監(jiān)測到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時間;
?、茈娏﹄娮娱_關(guān)用于電力電子轉(zhuǎn)換的運行單元,至少包含一個可控電子閥器件;
⑤機械式UPS電力開關(guān)在正常條件(包括規(guī)定的過載運行)下,能夠接通、承載和分斷電流的機械開關(guān)裝置。而在非正常條件(如短路)時,可以在規(guī)定時間內(nèi)承載電流;
?、藁旌鲜経PS電力開關(guān)至少由一個可控電子閥器件組成而成,帶有機械分接點的UPS開關(guān)。
(2)UPS設(shè)備的轉(zhuǎn)換開關(guān)分類
從構(gòu)成方法形式上,UPS設(shè)備的轉(zhuǎn)換開關(guān)可以分為電子式、機械式、機械/電子混合式。
電子式轉(zhuǎn)換開關(guān)(圖3)由兩組雙向可控硅組合而成,其特點是轉(zhuǎn)換速度快:兩路輸入電源同步時,轉(zhuǎn)換動作時間<5ms;兩路輸入電源不同步時,轉(zhuǎn)換動作時間<20ms。其缺點是:①沒有可視的分斷點,不能作隔離使用;②電氣性能差,抗過載能力、短路能力低。其過載能力一般與UPS設(shè)備相同,即:125%的負載可承受10min,150%的負載可承受10s;③成本較高;④體積大(加散熱片)。
機械式轉(zhuǎn)換開關(guān)(圖4)的優(yōu)點就是電氣性能好,抗過載、耐短路能力強;可具有明顯分斷點、能做隔離使用;價格便宜。其缺點就是一個致命的:轉(zhuǎn)換動作時間長!無法達到UPS設(shè)備輸出電源“不間斷連續(xù)性”的要求。
依據(jù)CBEMA(計算機商用設(shè)備制造協(xié)會)曲線為依據(jù)生產(chǎn)制造的UPS設(shè)備,其輸出電壓中斷不能超過1/2周波(2000年后的CBEMA曲線限定為中斷不超過1個周波),按此要求,UPS的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換動作時間必須<10ms(有按新的CBEMA曲線要求<20ms的),這一硬性指標機械式轉(zhuǎn)換開關(guān)很難達到!因此UPS設(shè)備中絕大數(shù)是采用電子式轉(zhuǎn)換開關(guān)的,只有小型的后備式UPS設(shè)備,從成本因素考慮,選擇由繼電器(或接觸器)組成的機械式轉(zhuǎn)換開關(guān)。
混合式轉(zhuǎn)換開關(guān)(圖5)就是把電子式與機械式轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)合在一起,讓他們相互揚長避短,即滿足了開關(guān)的轉(zhuǎn)換動作時間要求,又提高了電氣性能。但因結(jié)構(gòu)復雜、成本昂貴,也沒有什么成熟過硬的產(chǎn)品,因此在UPS設(shè)備很少使用。
(3)UPS設(shè)備轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用
在后備式UPS設(shè)備中,轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用顯而易見,其轉(zhuǎn)換動作時間的快慢,直接影響到UPS設(shè)備的品質(zhì)。由于轉(zhuǎn)換開關(guān)選型及成本的原因,致使后備式UPS走小容量、低成本的路線,獨立放置、為臺式機、工業(yè)單片機、單板機等計算機設(shè)備提供電源。
在線式UPS設(shè)備中的轉(zhuǎn)換開關(guān)在①UPS故障時；②維修UPS時；③負載電流轉(zhuǎn)換(沖擊電流或清除故障電流)；④尖峰負載等情況下轉(zhuǎn)換到維護旁路。
對于在線式UPS設(shè)備,其逆變器實時在線工作,提高了UPS設(shè)備輸入斷電時電池組迅速放電工作的速度,保證了“不間斷”輸出的同時,也影響了逆變器的使用壽命和增大事故隱患。因此在線式UPS設(shè)備必須設(shè)有靜態(tài)旁路(見圖6),以便逆變器輸出發(fā)生問題時,迅速跳轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路來保證UPS設(shè)備輸出的連續(xù)性。這里使用的轉(zhuǎn)換開關(guān)大多是電子式的。
在線式UPS設(shè)備被要求一年365天、一天24h的運行工作,逆變器、整流器等使用壽命成了問題。用增設(shè)維修旁路來解決。隨之帶來的是轉(zhuǎn)換開關(guān)的隔離功能問題。
(4)UPS設(shè)備的旁路及維護
雖然UPS的逆變輸出有靜態(tài)旁路,但這個旁路只能作為逆變器、整流器有故障時、確保UPS設(shè)備輸出的添加的旁路,不能作為UPS中逆變器、整流器的維護旁路,原因有兩個:①UPS的轉(zhuǎn)換開關(guān)是電子式的,沒有明顯的電氣分斷點,不能作為隔離使用(UPS設(shè)備的轉(zhuǎn)換開關(guān)標準《JB/T8453-1996》半導體交流器第5部分不間斷電源設(shè)備用開關(guān)(UPS開關(guān))中,附錄A2.2.3.2:電子式轉(zhuǎn)換開關(guān)沒有隔離能力);②電子式的轉(zhuǎn)換開關(guān)與逆變器等同為電子元件構(gòu)成,也是實時在線使用,同樣需要檢修維護。
因此需要對UPS設(shè)備增設(shè)一個維護旁路(見圖6):
UPS設(shè)備在維護旁路狀態(tài),分斷輸入開關(guān)、靜態(tài)旁路開關(guān)、輸出開關(guān)之后才能檢修維護UPS設(shè)備。當且僅當UPS跳轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路后才能閉合維護旁路開關(guān),否則逆變輸出與市電輸入短路了。
3 UPS轉(zhuǎn)換開關(guān)的發(fā)展
我國正朝著產(chǎn)品的規(guī)范化、標準化方向發(fā)展,作為一個系統(tǒng),UPS要符合《GB7260.1》、《GB7260.2》、《GB7260.3》《GB7260.4》等國家標準;對于組成UPS系統(tǒng)的各個部件,也是盡可能的選用符合國標并能提供3C認證的產(chǎn)品,例如:斷路器、蓄電池等。但現(xiàn)狀是:轉(zhuǎn)換開關(guān)例外!
UPS設(shè)備內(nèi)的轉(zhuǎn)換開關(guān)與配電系統(tǒng)中的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)使用功能相似,可以概括一下UPS設(shè)備的轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)展方向:
?、俎D(zhuǎn)換動作時間一定要滿足負載的需求。依據(jù)現(xiàn)行的CBEMA曲線及由此制訂的美國標準IEEE446,轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換動作時間必須<20ms;
②隨著UPS容量的增大,可提供的短路能量輸出增高,要求轉(zhuǎn)換開關(guān)有較強的短路承受能力;
?、垭S著計算機負載超大規(guī)模集成電路和電容器的應用,負載的容性/感性增強,要求轉(zhuǎn)換開關(guān)的負載應用類別要強;
?、苻D(zhuǎn)換開關(guān)自身的使用壽命要長;
?、蒉D(zhuǎn)換開關(guān)自身要有旁路隔離-在線維護功能。
高速轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種新型的轉(zhuǎn)換開關(guān),除了以往的完成雙電源轉(zhuǎn)換功能外,保留機械式轉(zhuǎn)換開關(guān)的抗短路能力高、過載能力強、適用于感性、容性、阻性混合負載的優(yōu)點,最突出的是引入了“轉(zhuǎn)換動作時間”這一重要的技術(shù)參數(shù)。一般來說,高速轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換動作時間都在20ms以內(nèi)。使用旁路/隔離式高速轉(zhuǎn)換開關(guān)的UPS設(shè)備,可以大大簡化系統(tǒng)構(gòu)成(圖7)。
機械式轉(zhuǎn)換開關(guān)具有可視分斷點,能夠起隔離作用。旁路/隔離式轉(zhuǎn)換開關(guān)(圖8)就是對轉(zhuǎn)換開關(guān)增加了維護旁路,而且維護旁路開關(guān)與轉(zhuǎn)換開關(guān)間有可靠的機械/電氣互鎖:當且僅當轉(zhuǎn)換開關(guān)接于市電輸入時,才能閉合上旁路開關(guān),確保了市電輸入不會與逆變輸入短路。
使用了旁路/隔離式轉(zhuǎn)換開關(guān)后的優(yōu)點:①可將UPS設(shè)備的靜態(tài)旁路、維護旁路合二為一,節(jié)省了制造成本;②UPS的逆變器、整流器等電子設(shè)備和轉(zhuǎn)換開關(guān)的機械設(shè)備可以分別進行維護;③大大降低系統(tǒng)復雜度,減小設(shè)備體積;④轉(zhuǎn)換開關(guān)屬于3C認證產(chǎn)品,標準化生產(chǎn)可靠性高,質(zhì)量問題可追溯性強;⑤超強抗過載能力。
目前世界各國都在努力的研發(fā)機械式的高速轉(zhuǎn)換開關(guān)。我國已經(jīng)有企業(yè)能做到250A的容量(對應著120kVA的UPS設(shè)備)。若機械式高速轉(zhuǎn)換開關(guān)能做到630A、800A,在配以旁路/隔離功能,勢必會更改在線式UPS、后備式UPS和穩(wěn)壓電源的市場格局。
參考文獻
[1]中華人民共和國機械行業(yè)標準.JB/T8453-1996半導體變流器第5部分不間斷電源設(shè)備用開關(guān)(UPS開關(guān)).
[2]艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司等.GB7260.1-2008不間斷電源設(shè)備.第1-1部分:操作人員觸及區(qū)使用的UPS的一般規(guī)定和安全要求.北京:國家質(zhì)檢總局,2008.
[3]上海電器科學研究所(集團)有限公司等.GB7260.2-2009不間斷電源設(shè)備(UPS).第2部分:電磁兼容性(EMC)要求[s],中華人民共和國國家標準,2009.
[4]青島整流器股份有限公司等.GB7260.3-2003不間斷電源設(shè)備(UPS).第3部分:確定性能的方法和試驗要求[s],中華人民共和國國家標準,2003.
[5]艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司等.GB7260.4-2008不間斷電源設(shè)備(UPS).第1-2部分:限制觸及區(qū)使用的UPS的一般規(guī)定和安全要求[s],中華人民共和國國家標準,2008.
[6]上海電器科學研究院.GB/T14048.11-2016低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備.第6-1部分:多功能電器轉(zhuǎn)換開關(guān)電器[S].北京:中國標準出版社,2016.
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